Khám phá quá trình lên men cà phê và vai trò vi sinh vật

Nhiều người nghĩ quá trình lên men cà phê giống như làm bia hay rượu, nhưng thực tế khác biệt đáng kể. Lên men trong bối cảnh cà phê là một bước quan trọng sau thu hoạch, diễn ra trên quả cà phê trước khi hạt được sấy khô. Đây là giai đoạn then chốt ảnh hưởng sâu sắc đến hương vị cuối cùng của tách cà phê mà bạn thưởng thức.

Cơ chế sinh học: Hô hấp và Quá trình lên men cà phê

Để hiểu về lên men cà phê, trước hết cần phân biệt hai cơ chế sinh học cơ bản: hô hấp và lên men. Hô hấp là quá trình tế bào sử dụng oxy để chuyển hóa các hợp chất hữu cơ như đường, chất béo thành năng lượng, đồng thời thải ra khí cacbonic và nước. Đây là một quá trình hiệu quả để thu năng lượng. Ở thực vật, hô hấp diễn ra liên tục, sử dụng đường tạo ra từ quang hợp.

Khi môi trường thiếu oxy, nhiều vi sinh vật chuyển sang cơ chế lên men. Khác với hô hấp, lên men không cần oxy và cung cấp ít năng lượng hơn nhiều từ mỗi phân tử đường. Sản phẩm thải của lên men không phải là nước, mà thường là axit lactic hoặc ethanol, tùy thuộc vào loại sinh vật. Chẳng hạn, lên men ethanol, hay lên men rượu, là quá trình chuyển đổi đường thành năng lượng, tạo ra ethanol và CO2 mà nấm men thực hiện trong điều kiện kỵ khí. Quá trình này bao gồm nhiều bước chuyển hóa đường glucose thành các sản phẩm trung gian rồi cuối cùng là ethanol và CO2. Từ “lên men” theo nghĩa sinh học chặt chẽ mô tả sự chuyển hóa đường và hợp chất bởi vi sinh vật trong điều kiện không có oxy. Các sản phẩm phụ này, khi được hạt cà phê hấp thụ và trải qua quá trình rang, sẽ góp phần tạo nên phức hợp hương vị đặc trưng.

Lên men Hiếu khí và Kỵ khí trong bối cảnh cà phê

Theo định nghĩa sinh học nghiêm ngặt, quá trình lên men là kỵ khí (không có oxy). Tuy nhiên, trong ngành cà phê, thuật ngữ “lên men hiếu khí” đôi khi được dùng để chỉ quá trình lên men diễn ra ngay cả khi có mặt oxy. Điều này gây ra sự nhầm lẫn, vì hầu hết nấm men sẽ ưu tiên hô hấp (có oxy) nếu có thể, do hiệu quả năng lượng cao hơn. Mặc dù vậy, một số loài nấm men như Saccharomyces cerevisiae, dù có oxy vẫn có thể tiến hành lên men. Thậm chí, một số quá trình trao đổi chất khác của vi sinh vật diễn ra khi có oxy cũng được gọi chung là “lên men oxy hóa”, ví dụ điển hình là quá trình sản xuất giấm từ ethanol bởi vi khuẩn Acetobacter.

Trong bối cảnh chế biến cà phê, khi cà phê được ủ trong thùng hoặc bể, sẽ có sự hiện diện của nhiều loại vi khuẩn và nấm men khác nhau. Các vi sinh vật này có thể thực hiện cả hô hấp và lên men, cùng với nhiều phản ứng trao đổi chất khác. Do đó, việc gọi các phương pháp “lên men kỵ khí” hay “hiếu khí” trong cà phê có thể không diễn tả chính xác toàn bộ cơ chế sinh học đang diễn ra. Thay vào đó, các chuyên gia khuyến khích sử dụng thuật ngữ cụ thể hơn như “lên men trong túi” hay “lên men thùng” để mô tả các kỹ thuật loại trừ oxy có kiểm soát trong quá trình chế biến. Khái niệm kỵ khí vẫn là bản chất cốt lõi của lên men cà phê, đặc biệt khi các nhà chế biến tìm cách kiểm soát môi trường một cách nghiêm ngặt.

Vai trò chính của lên men cà phê: Loại bỏ chất nhầy

Trong thực tế sản xuất, mục đích ban đầu và phổ biến nhất của giai đoạn lên men cà phê là loại bỏ lớp chất nhầy (mucilage) bao quanh hạt. Chất nhầy này chủ yếu cấu tạo từ pectin, một dạng polysaccharide phức tạp. Việc loại bỏ chất nhầy là cần thiết để giúp hạt cà phê khô đều và hiệu quả hơn ở các bước tiếp theo. Mặc dù có thể sử dụng máy móc hoặc enzyme hóa học để loại bỏ chất nhầy, phương pháp lên men tự nhiên trong bể hoặc đống cà phê là cách truyền thống và kinh tế nhất.

Các tài liệu khoa học trước đây thường cho rằng enzyme pectinase và pectase do vi sinh vật tạo ra là nguyên nhân chính phân hủy lớp chất nhầy. Tuy nhiên, các nghiên cứu gần đây đã đưa ra bằng chứng mới.

pH Môi trường: Yếu tố quyết định việc phân hủy chất nhầy

Một nghiên cứu quan trọng của Avallone và cộng sự vào năm 2002 đã làm sáng tỏ vai trò thực sự trong việc phân hủy chất nhầy. Họ chứng minh rằng sự phân hủy chủ yếu là kết quả của quá trình axit hóa môi trường lên men cà phê, chứ không phải do hoạt động của enzyme phân hủy pectin từ vi sinh vật như vẫn nghĩ. Môi trường lên men cà phê thông thường có độ pH thấp, dao động khoảng 3.5 đến 5.5. Nghiên cứu chỉ ra rằng độ pH tối ưu cho các enzyme phân hủy pectin từ nhiều chủng vi sinh vật lại cao hơn nhiều, thường trong khoảng 7.5 đến 9.5. Điều này có nghĩa là trong điều kiện pH tự nhiên của bể lên men cà phê, các enzyme này hoạt động kém hiệu quả hơn nhiều so với sự tác động trực tiếp của môi trường axit lên cấu trúc pectin.

Độ pH thấp làm trương nở và phá vỡ cấu trúc các polysaccharide trong chất nhầy, nới lỏng liên kết canxi và thành tế bào thịt quả (mesocarp). Quá trình này khiến chất nhầy dễ dàng bị rửa trôi. Phần lớn quá trình lên men cà phê trong chế biến ướt là lên men tự nhiên (wild fermentation), tức là dựa vào hệ vi sinh vật có sẵn trên vỏ quả cà phê và trong môi trường. Quá trình lên men không thêm nước diễn ra nhanh hơn do môi trường nhanh chóng đạt độ pH thấp. Tuy nhiên, nó cũng kém đồng nhất và khó kiểm soát hơn. Thêm nước làm tăng thể tích, phân tán vi sinh vật và làm chậm quá trình giảm pH, giúp kiểm soát quá trình tốt hơn nhưng kéo dài thời gian.

Thông thường, cà phê được ủ cho đến khi lớp chất nhầy tiêu biến hoàn toàn, một cách truyền thống được kiểm tra bằng cách nắm hạt cà phê ướt trong tay thấy có cảm giác sạn. Nếu dừng lên men cà phê quá sớm, chất nhầy còn sót lại sẽ khiến hạt khó khô đều. Ngược lại, lên men quá mức (over-fermentation) có thể dẫn đến sản sinh các axit không mong muốn như axit butyric và axit propionic, gây ra hương vị khó chịu như hành tây thối hoặc bơ ôi (Amorim và Amorim, 1977). Hạt cà phê bị lỗi do lên men quá mức thường được gọi là “stinker” (Frank et al., 1965; Arunga, 1982). Nghiên cứu của Schwan và Fleet (2014) cũng chỉ ra rằng vi khuẩn thuộc giống Bacillus có thể gây ra axit propionic trong cà phê chế biến khô nếu quá trình lên men kéo dài quá hai tuần.

Hệ vi sinh vật tham gia lên men cà phê

Hệ vi sinh vật trong quá trình lên men cà phê không chỉ đóng vai trò trong việc loại bỏ chất nhầy mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến thành phần hóa học của hạt, từ đó tác động đến hương vị cuối cùng. Ba nhóm vi sinh vật chính tham gia vào quá trình này là vi khuẩn, nấm sợi và nấm men. Mỗi nhóm có đặc điểm và vai trò riêng biệt trong môi trường lên men phức tạp.

Vi khuẩn trong quá trình lên men

Vi khuẩn là nhóm sinh vật đơn bào có sự đa dạng lớn về mặt trao đổi chất. Chúng có thể tồn tại trong nhiều điều kiện khác nhau, bao gồm cả môi trường hiếu khí (có oxy) và kỵ khí (không có oxy). Trong lên men cà phê, nhiều loại vi khuẩn đóng góp vào quá trình chuyển hóa đường và các hợp chất hữu cơ.

Một trong những nghiên cứu đầu tiên về hệ vi sinh vật trên cà phê chế biến ướt ở Colombia và Mexico (Pederson và Breed, 1945) đã phân lập được nhiều chủng vi khuẩn có khả năng thủy phân chất nhầy như Lactobacillus mesenteroides, Lactobacillus plantarum, Lactobacillus brevis, và Streptococcus faecalis. Tuy nhiên, nghiên cứu này cũng lưu ý rằng các chủng này không thúc đẩy quá trình tách hoàn toàn chất nhầy khỏi hạt. Điều này củng cố thêm quan điểm rằng sự phân hủy pectin chủ yếu do môi trường axit chứ không phải hoạt động enzyme mạnh mẽ của vi khuẩn trong điều kiện lên men cà phê.

Nấm sợi và nguy cơ trong lên men cà phê

Nấm sợi (mould) là loại nấm đa bào, phát triển thành các sợi dài gọi là sợi nấm. Khi các sợi này phát triển dày đặc và tạo bào tử, chúng ta có thể nhìn thấy dưới dạng “nấm mốc”. Trong bối cảnh lên men cà phê, nấm sợi ít phổ biến hơn vi khuẩn và nấm men trong giai đoạn đầu của chế biến ướt, vì quá trình này thường nhanh (khoảng 48 giờ) và môi trường có hoạt độ nước cao hơn, thuận lợi cho vi khuẩn và nấm men phát triển nhanh chóng và cạnh tranh dinh dưỡng.

Tuy nhiên, nấm sợi vẫn là mối quan tâm đáng kể trong chế biến cà phê. Từ đầu những năm 1900, các nghiên cứu đã ghi nhận khả năng của nấm sợi trong việc tạo ra hương vị khác lạ (Liardon và cộng sự, 1989). Quan trọng hơn, trong những năm gần đây, mối quan tâm chính tập trung vào nguy cơ nấm sợi sản sinh độc tố nấm mốc (mycotoxins), có hại cho sức khỏe người tiêu dùng. Các nghiên cứu chỉ ra rằng cà phê chế biến khô có nguy cơ nhiễm nấm sợi cao hơn do thời gian khô và lên men kéo dài hơn so với chế biến ướt. Chi Aspergillus là một ví dụ điển hình về nấm sợi phổ biến có thể ảnh hưởng đến cà phê.

Nấm men và tiềm năng hương vị

Nấm men (yeast) là một loại nấm tồn tại chủ yếu ở dạng đơn bào. Chúng có khả năng sinh sản nhanh chóng, đặc biệt khi có nguồn đường dồi dào. Tế bào nấm men lớn hơn vi khuẩn và chứa các bào quan phức tạp hơn như nhân và ti thể. Nấm men sử dụng đường làm nguồn năng lượng chính. Một số loài cần oxy để phát triển, trong khi những loài khác có thể phát triển cả khi có hoặc không có oxy. Trong điều kiện thiếu oxy, nhiều loại nấm men sẽ sử dụng quá trình lên men để lấy năng lượng.

Nghiên cứu của Silva và cộng sự (2008) trên cà phê chế biến khô ở Brazil đã phân lập được khoảng 200 chủng nấm men, thuộc 15 loài khác nhau. Các chi phổ biến bao gồm Debaryomyces, Pichia, và Candida. Đặc biệt, loài D. hansenii chiếm tỷ lệ cao nhất (khoảng 40%), tiếp theo là Pichia guilliermondii (khoảng 20%). Các loài này thường đạt mật độ cao nhất sau khoảng 14-18 ngày lên men. Ngoài việc góp phần vào hương vị thông qua các chất chuyển hóa, một vai trò quan trọng khác của nấm men và vi khuẩn trong lên men cà phê là khả năng ức chế sự phát triển của nấm sợi không mong muốn và vi khuẩn gây hại. Các nghiên cứu của Schwan và Fleet (2014) đã xác định nhiều loài có hoạt tính đối kháng, mở ra tiềm năng sử dụng chúng làm tác nhân kiểm soát sinh học tự nhiên trong quá trình chế biến.

Câu hỏi thường gặp về Quá trình lên men cà phê

• Lên men cà phê có giống lên men rượu/bia không?
  Không giống hoàn toàn. Dù đều liên quan đến vi sinh vật chuyển hóa đường, quá trình lên men cà phê diễn ra trên quả cà phê để loại bỏ chất nhầy và phát triển hương vị sơ bộ, không phải để tạo ra đồ uống lên men trực tiếp.

• Mục đích chính của quá trình lên men cà phê là gì?
  Trong thực tế sản xuất truyền thống, mục đích chính và kinh tế nhất là sử dụng hoạt động của vi sinh vật để phân hủy và loại bỏ lớp chất nhầy (pectin) khỏi hạt cà phê, chuẩn bị cho bước sấy khô.

• Tại sao độ pH lại quan trọng trong lên men cà phê?
  Các nghiên cứu cho thấy độ pH thấp (khoảng 3.5-5.5) trong môi trường lên men cà phê là yếu tố chính giúp phân hủy cấu trúc pectin của chất nhầy, hiệu quả hơn hoạt động của enzyme phân giải pectin trong điều kiện pH đó.

• Những loại vi sinh vật nào tham gia vào quá trình lên men cà phê?
  Ba nhóm chính là vi khuẩn, nấm sợi (nấm mốc) và nấm men. Mỗi nhóm có vai trò và ảnh hưởng khác nhau đến quá trình và chất lượng hạt.

• Lên men quá mức ảnh hưởng đến cà phê như thế nào?
  Lên men quá mức có thể dẫn đến sự phát triển của các vi sinh vật không mong muốn, sản sinh các hợp chất gây mùi khó chịu như axit butyric, axit propionic, tạo ra các lỗi hương vị nghiêm trọng và hạt cà phê bị gọi là “stinker”.

Những vấn đề liên quan đến hệ vi sinh vật trong quá trình lên men cà phê luôn kích thích sự tò mò về tác động của chúng đối với hương vị cuối cùng. Sự hiểu biết sâu sắc về sinh học, hóa học và vai trò của từng nhóm vi sinh vật giúp các nhà sản xuất kiểm soát quy trình tốt hơn, giảm thiểu rủi ro lỗi hương vị và thậm chí khai thác tiềm năng để tạo ra những hương vị độc đáo. Dù là hướng tới sự an toàn, nhất quán hay khám phá hương vị mới, việc làm chủ quá trình lên men là chìa khóa để nâng cao chất lượng cà phê.